Identifikasi jenis gouging pada pembuatan lintasan pahat pemesinan end milling dan peripheral milling multi-axis berbasis model faset 3D

Gandjar Kiswanto

Laboratorium Teknologi Manufaktur Departemen Teknik Mesin – Universitas Indonesia

Kampus Baru – UI, Depok 16424 Telp : +62 21 7270032, Fax : +62 21 7270033

e-mail : gandjar_kiswanto@eng.ui.ac.id

Abstract The tool path generation for NC multi-axis milling operations with current CAM-systems still suffers from a number of critical problems, such as the calculation of gouge and collision free tool positions and orientations, the generation of a tool path crossing different surfaces with topological inconsistencies and efficiency of milling process. These problems are mainly due to the commonly used parametric representation of surfaces or solid model within CAD/CAM systems. A parametric and/or solid representation of products may be a good choice for CAD (design), but unfortunately it often gives problems during tool path generation (CAM), which are mainly related to the proper checking and avoidance of gouges and collisions between tool and part. The problems mentioned above can be solved by using faceted models as a basis for tool path generation. A faceted model describes a surface by a collection of simple triangles. On top of this faceted models, the tool path for the milling process is generated directly. In general, based on the cutting location with respect to the tool geometry, the milling process itself can be classified into two, face/end milling and peripheral milling. In peripheral milling the part surface is cut by using the cutting edges on the periphery of the tool with its axis parallel (tangential) to the surface model. Peripheral milling is commonly used for pocketing operations or machining sculptured surface models from the ruled surface type, such as turbine blades, marine propellers and aircraft wings, since it can gain higher eficiency in removing material compared to the face milling. This paper describes research work on the indentification of the gouging types in the tool path generation for peripheral milling as part of the research on the development of tool path generation methods for multi-axis milling based on a faceted-models description, at the Laboratory of Manufacturing Technology, Departement of Mechanical Engineering – University of Indonesia. The gouging types identification is done in order to know the proper methodes and its mathematical models to avoid specific gouging that might occur in peripheral milling. First, it describes the development of coordinate system, cutter-contact point, and tool inclination angle mechanism. Then all types and mechanisms of possible gouging with the triangle entity is explained thoroughly and graphically shown. From this identification it was found that all possible gougings can be avoided and eliminated both for the sculptured surfaces and prismatic models. Keywords : gouging, faceted models, end-milling, peripheral-milling

Abstrak Pembuatan lintasan pahat untuk proses pemesinan milling multi-axis dengan sistem-CAM yang umumnya ada saat ini memiliki beberapa kekurangan seperti, perhitungan posisi dan orientasi pahat yang bebas gouging dan collision (interferensi antara model pahat dengan model produk), pembuatan lintasan pahat yang melalui jenis permukaan yang berbeda dengan ketidak konsistenan topologi, dan ke-tidak efisienan proses pemesinan. Masalah ini disebabkan karena permukaan parametrik atau model solid umum digunakan sebagai representasi model produk didalam sistem-CAD/CAM. Representasi parametrik/solid dari sebuah model produk adalah baik untuk sistem-CAD, tapi memberikan banyak masalah pada pembuatan lintasan pahat didalam sistem-CAM, khususnya pada pengecekan dan penghindaran gouging dan collision antara model pahat dengan model produk. Masalah tersebut dapat diatasi dengan menggunakan model faset sebagai basis pembuatan lintasan pahat. Model faset 3D merepresentasikan permukaan model produk dengan serangkaian segitiga. Diatas model faset inilah lintasan pahat untuk pemesinan milling dibuat secara langsung. Pemesinan milling sendiri, berdasarkan lokasi pemotongan material terhadap geometri pahat, dapat diklasifikasikan menjadi end/face milling (pemesinan muka) dan peripheral milling (pemesinan tepi). Pada peripheral milling, sisi pahat bagian tepi yang paralel dengan sumbu pahat melakukan pemotongan terhadap material/benda-kerja dengan sumbu pahat paralel (tangensial) terhadap permukaan material-kerja tersebut. Peripheral milling banyak digunakan untuk proses pemesinan pocket (kantong) dan juga pembuatan produk yang modelnya dibuat dengan ruled surface, seperti sayap pesawat, propeller kapal laut dan sejenisnya, karena efisiensi yang dapat diperoleh dibandingkan dengan end milling. Paper ini menjelaskan penelitian mengenai identifikasi jenis gouging pada pembuatan lintasan pahat peripheral dan end milling yang merupakan bagian dari penelitian pengembangan sistem-CAM untuk proses pemesinan milling multi-axis berbasis model faset 3D yang dilakukan di Laboratorium Teknologi Manufaktur, Departemen Teknik Mesin – Universitas Indonesia. Identifikasi gouging harus dilakukan untuk mengetahui metode yang tepat dan model matematikanya untuk menghindari gouging yang spesifik pada proses milling itu sendiri. Dari hasil identifikasi tersebut didapatkan bahwa seluruh jenis gouging yang mungkin terjadi dapat dihilangkan tidak hanya untuk model produk berkontur (sculptured) tapi juga model produk prismatik. Keywords : gouging, model faset 3D, end milling, peripheral-milling

1. PENDAHULUAN Proses manufaktur pembuatan suatu produk,

yang memerlukan proses pemesinan dalam pembuatannya, secara umum di awali dengan pembuatan konsep desain dari produk tersebut, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan model geometri 3D dari produk dengan menggunakan sistem-CAD (Computer Aided Design).

Hampir seluruh sistem-CAD yang ada saat ini membuat model geometri 3D dengan menggunakan model parametric surface (permukaan parametrik, e.g. NURBS dan turunannya) dan/atau dengan model solid (Gambar 1).

Gambar 1. Permukaan parametrik (a), dan model solid primitif (b)

Setelah pemodelan geometri 3D dengan

sistem-CAD selesai, maka model produk tersebut ditransfer ke sistem-CAM (Computer Aided Manufacturing). Transfer data model 3D, baik menggunakan model permukaan parametrik atau model solid, dari sistem-CAD ke sistem-CAM akhirnya menjadi tradisi didunia proses manufaktur. Dengan menggunakan sistem-CAM ini kemudian dilakukan pembuatan trajektori/lintasan yang akan dilalui pahat (tool path generation) diatas model 3D (yang di dapat dari sistem-CAD). Lintasan pahat di dalam sistem-CAM ini nantinya digunakan sebagai lintasan pahat pada proses pemesinan sesungguhnya di mesin NC. Proses pemesinan yang lintasan pahat potong-nya (tool path) dibuat dengan menggunakan sistem-CAM adalah pembuatan impeller, pembuatan dies untuk badan mobil (pintu, atap/roof, penutup mesin, dashboard, dan lain-lain), casing telepon genggam, casing monitor komputer atau televisi, mainan anak-anak yang terbuat dari plastik, dan lain-lain sebagainya.

Sistem-CAM yang ada pada saat ini, sayangnya memiliki tiga masalah utama yaitu :

1. kehandalan dalam transfer data geometri antara sistem-CAD dengan sistem-CAM

2. kehandalan dalam pembuatan lintasan pahat (tool path generation) khususnya dalam menangani gouging/interferensi

3. kehandalan optimasi proses pemesinan Ketiga hal tersebut diatas dapat di pecahkan

dengan menggunakan model faset 3D sebagai basis pembuatan lintasan pahat. Model faset 3D

merepresentasikan permukaan model produk parametrik dengan serangkaian segitiga.

Pemakaian model faset (faceted model) sebagai basis pembuatan lintasan pahat (tool path generation) 5-axis telah dikembangkan didalam penelitian pengembangan dan pembuatan sistem-CAM berbasis model faset 3D di Laboratorium Teknologi Manufaktur – Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia.

Makalah ini menjelaskan mengenai identifikasi jenis-jenis gouging yang mungkin terjadi antara model pahat dan model faset dari produk dari sistem CAM yang sedang dikembangkan. Dengan mengetahui jenis gouging, maka pendeteksian dan penghindaran terhadap gouging dapat dilakukan. 2. INTERFERENSI (GOUGING) PAHAT

DAN MODEL Hal yang sangat penting di dalam sistem-CAM

adalah pendeteksian tergadap kemungkinan gouging (Gambar 2). Dengan menggunakan faset, pendeteksian dan penghindaran terhadap gouging (interferensi antara model pahat dan model produk) dapat dilakukan dengan jauh lebih mudah dibandingkan dengan berbasis surface model (model parametrik) dan solid.

Gouging

Pahat potong

Dies

Sisa material (stock) yang harus di buang

Arah pemotongan

Gambar 2. Gouging pada proses pemesinan dies

Gambar 3. Pembuatan lintasan pahat berbasis model faset 3D

Agar pendeteksian terhadap gouging dapat dilakukan di dalam algoritma sistem-CAM, maka jenis-jenis gouging yang mungkin terjadai antara model pahat dan model faset harus diidentifikasi terlebih dahulu. Dengan mengetahui jenis-jenis gouging ini, maka pembuatan lintasan pahat baru dapat dilakukan. Identifikasi jenis gouging ini dijelaskan lebih rinci pada sub-bab ini. 3. IDENTIFIKASI JENIS GOUGING DAN

PENGHINDARAN GOUGING 3.1 Gouging pada End/Face-Milling Dari hasil identifikasi jenis gouging/interferensi pada pemesingan end-milling didapat 3 jenis interferensi :

1. muka-pahat (tool bottom) interferensi terhadap vertex dari segitiga (Gambar 4a)

2. muka-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (Gambar 4b)

3. muka-pahat interferensi terhadap bidang (face) dari segitiga (Gambar 4c)

FL

TL

NL

G

H

I

I=point of interference on the VERTEX of triangle

cc-point

C

u

P

a)

FL

TL

NL

H I

T

T=point of interference on the EDGE of triangle

cc-point

C

G

P

u

b)

FL

TL

NL

G

H

IT

T=Point of interference on the FACE of triangle

cc-point

C

u

P

c)

Gambar 4. Jenis gouging/interferensi antara pahat dan segitiga dari model faset proses pemesinan end-milling

3.2 Gouging pada Peripheral Milling Dari hasil identifikasi jenis gouging/interferensi pada pemesingan peripheral-milling didapat 5 jenis interferensi :

1. sis-pahat (peripheral) interferensi terhadap vertex dari segitiga (Gambar 5a)

2. sisi-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (Gambar 5b)

3. sisi-pahat interferensi terhadap bidang (face) dari segitiga

FL

TL

NL

G

H

I

I=point of interference on the VERTEX of triangle

cc-point

C

u

P

a)

FL

TL

NL

G

H

IT

T=point of interference on the EDGE of triangle

cc-point

C

u

P

b)

Gambar 5. Jenis gouging/interferensi antara pahat dan segitiga dari model faset proses pemesinan peripheral-milling

Khusus pada gouging/interferensi antara antara model pahat dan bidang segitiga dapat dihilangkan

dengan menghilangkan gouging antara model pahat dengan ke-tiga sisi dari segitiga. 3.2 Metode penghindaran gouging/interferensi

Dalam penelitian ini, dikembangkan dua metode penghindaran gouging/interferensi sesaat setelah pendeteksian diketahui terjadi adanya gouging dan dianggap dapat menghilangkan gouging secara menyeluruh, yaitu : 1. Metode mengangkat pahat (tool lifting) 2. Metode rotasi pahat (tool rotation) Di dalam sistem-CAM yang dikembangkan, metode mengangkat pahat diterapkan untuk menghindari gouging pada pemesinan milling 3-axis dan 5-axis dengan sudut orientasi pahat (sudut inklinasi) konstan. Sedangkan metode rotasi pahat diterapkan pada pemesinan milling 5-axis dengan pengaturan sudut orientasi pahat yang optimum (sudut inklinasi berubah bergantung dari kurvatur dari area model faset yang sedang dipotong). 4. IMPLEMENTASI DAN HASIL

Untuk menguji hasil identifikasi tersebut, sebuah model faset 3D seperti terlihat pada Gambar 6 digunakan sebagai model pengujian.

YC

XC

ZC

Gambar 6. Model faset A Hasil diperlihatkan dalam bentuk simulasi lintasan pahat seperti terlihat dalam Gambar 7 dan 8.

ZM

YMXM

Gambar 7. Lintasan pahat terhadap model faset A dengan orientasi pahat konstan (16.5o) dan tanpa adanya pengangkatan pahat

ZM

YMXM

Tool lifting

Gambar 8. Lintasan pahat terhadap model faset A dengan orientasi pahat konstan (2o) dan terjadinya pengangkatan pahat (tool lifting) untuk menghindari gouging

Gambar 9. Lintasan pahat terhadap model faset A dengan pengaturan orientasi pahat yang optimum dalam menghindari gouging. 5. KESIMPULAN

Pada makalah ini dibahas mengenai identifikasi jenis gouging untuk pemesinan end-milling dan peripheral milling multi-axis berbasis model faset 3D. Terdapat 3 jenis gouging yang mungkin terjadi pada pemesinan end-milling, dan 2 jenis pada peripheral milling. Dari hasil simulasi didapat bahwa kelima jenis gouging tersebut dapat dihindari secara menyeluruh dengan metode pengangkatan dan rotasi pahat.

REFERENSI [1]. Bedi S., Gravelle S., Chen Y. H., Principal

curvature alignment technique for machining complex surfaces, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, vol. 119, pp. 756-765, 1997.

[2]. Bedi S., Mann S., Menzel C., Flank milling with flat end milling cutters, Computer Aided Design, vol. 35, pp. 293-300, 2003

[3]. Choi B. K., Lee C. S., Hwang J. S., et. al., Compound surface modelling and machining, Computer Aided Design, vol. 20, no. 3, April 1988.

[4]. Faux, I. D., Pratt M. J., Computational geometry for design and manufacture, Ellis Horwood, Chichester, England, 1981.

[5]. Hwang Y. -R., Ho M. -T., Estimation of maximum allowable step length for five-axis cylindrical machining, Journal of Manufacturing Process, vol. 2, no. 1, 2000.

[6]. Hwang J.S., Chang T.-C., Three-axis machining of compound surfaces using flat and filleted endmills,

Computer Aided Design, 1998, vol. 30, no. 8, pp. 641-647.

[7]. Jerard, R.B. et.al., Methods for detecting errors in sculptured surface machining, IEEE computer graphics and applications, 1989, 9(1), pp. 26-39.

[8]. Jensen C. G., Anderson D. C., Accurate tool placement and orientation for finished surface, Machining J. Design and Manufacture 3, pp. 251-261, 1993.

[9]. Jensen C.G., Mullins S.H., Anderson D.C., Scallop elimination based on precise 5-axis tool placement, orientation and step-over calculations, ASME-Advances in Design Automation, 1993, vol. 65-2, pp. 535-544.

[10]. Lee J. -J., Suh S. H., Interference-free tool-path planning for flank milling of twisted ruled surface, vol. 14, pp. 795-805, 1998.

[11]. Lin R. -S., Koren Y., Ruled surface machining on five-axis CNC machine tools, Journal of Manufacturing Process, vol. 2, no. 1, 2000.

[12]. Liu X. W., Five-axis NC cylindrical milling of sculptured surfaces, Computer Aided Design, vol. 27. no. 12, pp. 887-894, 1995.

[13]. Marciniak K., Geometric modelling for numerical controlled machining, Oxford University Press, Oxford, 1991.

[14]. Redonnet J. -M., Rubio W., Dessein G., Side milling of ruled surfaces: optimum positioning of the milling cutter and calculation of interference, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 14, pp. 459-465, 1998.

[15]. Tsay D. M., Her M. J., Accurate 5-axis machining of twisted ruled surfaces, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, vol. 123, pp. 731-738, November 2001.